軌道交通車輛用電纜的阻燃性

孫正華

(上海南洋電材有限公司,201615,上海∥總工程師)

1 軌道車輛電纜的安全性

軌道車輛可大致分為鐵路車輛和城市軌道交通車輛。鐵路車輛由貨運車和客運車組成。本文主要討論旅客列車車輛用電纜的狀況和相關要求。

長期以來,鐵路普通旅客列車車輛對于電纜的防火安全性往往沿用國際通用電纜阻燃標準。即依據國際電工委員會提出的 IEC 60332-1、IEC 60332-3標準,考核電纜的單根和成束阻燃特性。進入20世紀90年代后,無論是國際還是國內的技術人員,都開始關注到物體在燃燒狀態下的發煙同樣會對乘員的逃生乃至生命產生莫大的影響,必須采用低煙無鹵的阻燃技術對原電纜進行阻燃性能升級。即在人員稠密區域內采用的材料和設備必須達到低煙無鹵的阻燃標準要求。

城市軌道交通車輛以及最新研制的高速動車組,從一開始就對電纜的防火安全性提出了較高的性能要求。眾所周知,地鐵的載員密度遠大于同等體積的地面普通旅客列車;而高速鐵路動車(簡稱“高鐵”)的運行速度一般在200～300 km/h之間(最新的京滬高鐵的最高運行速度可達350 km/h)。我國目前已投入運營的地鐵、動車組及正在研發、制造的車輛項目,其設計往往是參照或引進某個國際知名品牌,所以參照的防火安全標準也不盡相同。從早期引進的地鐵車輛來看,由于采用的是德國西門子技術,根據原品牌車輛對電纜的要求,電纜采用歐盟的通用車輛電纜標準EN 50264及其配套的防火(阻燃)標準,如EN 50265(單根阻燃)、EN 50266(成束阻燃)、EN 50267(鹵酸氣含量規定)和EN 50268(燃燒狀態下的煙密度規定)等。通過對比發現,上述的歐盟電纜阻燃標準同前述國際電工委員會規定的阻燃標準有許多雷同之處。隨著第一代地鐵投入運行以及火災事故案例的增加,大規模載客移動工具的防火性中除燃燒和發煙外,煙氣的毒性也越來越引起車輛設計人員的重視。因此,后續軌道交通項目(包括地鐵、動車組等)在防火性方面采用了更專業、更嚴密的標準體系,包括英國標準BS 6853：1999《客運列車設計建造中的防火通用規程》、德國標準DIN 5510-2《軌道車輛防火材料和部件的燃燒特性及燃燒伴隨現象分類,要求和檢測方法》、法國標準NFF 16-101《鐵路車輛防火性能,材料的選擇》等。這些標準所體現的防火安全理念更具有針對性,更注重在著火狀態下對乘員的逃生提供保護。在這些標準中,不僅考慮對發煙度進行控制,而且還針對煙氣中所含有害物質實施嚴格規定,這就可以大大降低火災狀態下煙氣對乘員造成二次傷害的程度。

2 電纜在著火狀態下的不延燃準則

除礦物絕緣電纜外,幾乎所有用聚合體混合物材料作為絕緣層的電纜都可能被引燃并燃燒。所以,阻燃的概念并不能簡單理解為具有阻止燃燒的功能。確切地說,阻燃就是能夠在著火條件下具有不使火焰迅速蔓延,而一旦火源消除后又能迅速自熄的功能。對材料而言,阻燃性能中必須具備不延燃準則。根據對火災案例的分析發現,由于易燃或不阻燃材料的延燃作用,使得火災的過火范圍迅速擴大,最終釀成了大災難。對于軌道交通車輛,尤其是旅客列車,由于車廂內配置有大量的非金屬材料,且車廂內人員稠密,電纜具有不延燃性能的重要程度可想而知。

前述阻燃標準如IEC 60332-1、IEC 60332-3就是體現電纜阻燃性的典型測試方法標準。

3 電纜在火焰條件下的煙氣釋放

3.1 煙密度

除由于火焰的延燃而造成災難擴大化以及燃燒對人員造成的直接可觀察的傷害外,燃燒所產生的煙氣同樣也是造成傷害的重要因素。如果燃燒產生的煙霧密度過大,就會嚴重阻擋乘員的視線,使其不能正確分辨逃生路線或延誤逃生的最佳時機,從而對乘客造成嚴重傷害。所以,電纜燃燒產生的煙霧密度必須加以控制。其方法是測出煙霧的透光率：在特定的燃燒密閉環境中采用普通光源產生光束,隔煙用光接收裝置接收光束,穿透煙霧的光束量最小應不低于60%。當然,不同場合可以對透光率提出不同的要求,如最高為80%。

3.2 對有害煙氣的遏制

材料在燃燒過程中所發出的煙氣中的有害成分也是不可忽視的。電纜由金屬導體和彈性混合物構成的絕緣護套層組成。在燃燒過程中,混合物的某些化學成份隨溫度上升而氣化,其中的有害氣體成分隨煙霧迅速擴散。當這些有害氣體達到一定濃度時,將對人產生危害,輕則中毒休克,重則造成窒息導致死亡。所以,遏制有害煙氣也是重要的防范措施。歐洲的相關電纜標準就十分重視這一指標的考核,除限制鹵素(氫鹵酸)含量外,對煙氣的毒性也有明確的規定。如歐洲標準EN 50264《具有特別防火功能的軌道車輛電纜》中,規定了煙氣的毒性危險級別和毒性指數ITC的限制值(具體的測試方法由EN 50305給出)。在高溫作用下,對材料可能分解出的5種有毒氣體用滴定法進行定量分析。被指定檢測的5種氣體分別是一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氧化氮(NO)和氰化氫(HCN)。

規定的危險級別分為：

HL1——無特別規定(即不予考核);

HL2和 HL3——ITC指數最大為5;

HL4——ITC指數最大為 3。

可見危險級HL4是最為嚴厲的監控級別。

4 常規的阻燃標準和專門的安全規范

電纜的阻燃標準一般采用國際電工委員會(IEC)的推薦標準,如IEC 60332火焰狀態下的電纜試驗,包括單根垂直燃燒試驗和成束垂直燃燒試驗,IEC 61034電纜在燃燒狀態下的煙密度測量以及IEC 60754電纜材料燃燒狀態下鹵酸氣體的測定。類似的歐盟通用試驗標準有DIN EN 50265(單根)、DIN EN 50266(成束)電纜垂直燃燒試驗;DIN EN 50267電纜材料燃燒時析出的氣體試驗(主要測定材料中氫鹵酸的含量,不能全面反映煙氣的毒性);DIN EN 50268電纜在燃燒狀態下的煙密度測量。

上述標準中,IEC常規阻燃試驗標準從20世紀70～80年代引入國內電纜行業。開始引用較多的是造船行業,幾乎是作為唯一的阻燃依據(主要以貨輪、集裝箱輪為主,軍艦例外)一直沿用至今。鐵路運輸行業選用的阻燃標準相對較雜,但當鐵路運輸引入高速客運概念后情況發生了變化。高速動車以200 km/h以上速度行駛時,任何極為細小的故障都會引發大災難。所以針對鐵路客運列車專門的安全標準隨之被引入。

英、法、徳等國對鐵路客運車輛提出的防火安全的專門標準并不僅僅針對車輛電纜,但電纜被作為一項重要的監控對象加以規定,如BS 6853：1999版中除燃燒性和發煙量外,對煙氣毒性的有害氣體的定義在歐盟監控的5種外多増加了3種,即增加了氯化氫(HCI)、溴化氫(HBr)和氟化氫(HF)的監控。而法國標準NFF 16-101(鐵路車輛的耐火性)中對煙氣毒性有類似的規定,只是少了氮化物,多了氯化氫。由此可見,這些標準比之歐盟標準,除注重保護乘員外還關注對環境的保護。

5 針對場所的不同要求

防火安全性中的另一個重要問題,是針對不同電纜在不同場合、擔負著不同連接功能時對重要線路的保護。阻燃只是不延燃和具有自熄的功能,但這并不意味著能夠抗拒火焰或減輕燃燒部分的損毀程度。在客運列車的重要線路中,還應該引入耐火的理念。在列車的龐大線路系統中,有動力、控制、通信、照明、操作、保障等不同系統。作為保護乘員的一個側面,在火災情況下保證某些重要線路如照明、門禁、緊急呼救通信等的繼續存在和連通是非常必要的。

在造船行業,防火分為阻燃級和耐火級,就是為了解決緊急狀態下的應急撤離和呼救通信。耐火的定義是：盡管處于火焰的燃燒狀態中,電纜還是具有保證線路暢通的功能。最新的IEC 60331-31標準中,還要求電纜在火焰狀態下即使遭受振動,也能夠保持回路正常工作,且持續時間在2.5 h。

6 結語

電纜作為各種系統的血脈和神經,其性能必須經得起惡劣環境條件考驗(除物理機械性能和電氣性能外,安全性尤其是防火安全性對整個系統至關重要)。根據系統的不同場合,設計、選用具有不同功能的電纜,對今后系統的運行會產生深遠的影響。

目前我國鐵路系統的重要項目(如高速動車組、超大功率牽引電力機車等)的電纜主要還是選用國際知名品牌的產品,尤其是高壓系統部分、數據處理部分和控制系統部分。當然,國產化的進程也在“提速”中。相信不久的將來,擁有自主知識產權的高端電纜會主導我國的軌道車輛配套市場。

[1]BS 6853：1999 Code of practice for fire precautions in the desig n and construction of passenger carrying trains[S].

[2]NF F16-101 Railway rolling stock fire behavior choice of material[S].

[3]DIN 5510-2 Preventive fire protect in railway vehicle parts 2：Fire behavior and effects of material and parts[S].